close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Технологии микропрофилирования и формирования контактных систем для микроприборов на основе нитридов III группы

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Желаннов Андрей Валерьевич
Технологии микропрофилирования и формирования контактных систем для
микроприборов на основе нитридов III группы
Специальность 05.27.06 – Технология и оборудование для производства
полупроводников, материалов и приборов электронной техники
Автореферат диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Санкт-Петербург – 2018
Работа
выполнена
в
Федеральном
государственном
бюджетном
образовательном учреждении «Новгородский государственный университет
имени Ярослава Мудрого» на кафедре физики твердого тела и
микроэлектроники
Научный руководитель:
Селезнев Борис Иванович, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой
физики твердого тела и микроэлектроники НовГУ им. Ярослава Мудрого
(г. Великий Новгород)
Официальные оппоненты:
Тарасов Сергей Анатольевич, доктор технических наук, доцент, заведующий
кафедрой квантовой электроники и оптико-электронных приборов СПбГЭТУ
«ЛЭТИ», (г. Санкт-Петербург)
Свешников Юрий Николаевич, кандидат технических наук, главный научный
сотрудник АО «Элма-Малахит» (г. Москва)
Ведущая организация – Федеральное государственное автономное научное
учреждение Институт сверхвысокочастотной электроники имени В.Г. Мокерова
Российской академии наук (г. Москва)
Защита состоится 27 сентября 2018 г. в 1400 часов на заседании
диссертационного
совета
Д
212.238.04
при
Санкт-Петербургском
государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова
(Ленина) по адресу: 197376, г. Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского
государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И.
Ульянова (Ленина) и на сайте: http://www.eltech.ru
Автореферат разослан «06» июля 2018 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Д 212.238.04
д.ф.-м.н., профессор
Мошников В. А.
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. Нитрид галлия (GaN) обладает
совокупностью свойств, позволяющих получать на его основе приборы,
превосходящие по параметрам приборы на классических полупроводниках.
GaN,
как
материал
для
высокотемпературных,
высоковольтных,
высокочастотных и сильноточных приложений, позволяет существенно
расширить операционные возможности полупроводниковой техники.
Уникальное сочетание физических свойств, включающее большую ширину
запрещенной зоны, высокую дрейфовую скорость насыщения носителей заряда,
высокое напряжение пробоя, высокую теплопроводность, высокую химическую
и термическую стойкость позволяет рассматривать нитридные полупроводники
как наиболее перспективные материалы для создания приборов нового
поколения. Именно с внедрением GaN в настоящее время связывается прорыв в
СВЧ - и сильноточной электронике.
В настоящее время параметры приборов на GaN не достигли предельных
значений. Это обусловлено использованием чужеродных подложек и
несовершенством выращиваемых на них эпитаксиальных структур.
Кроме эпитаксиальных процессов не менее сложными являются
постростовые процессы создания приборного чипа. Постростовые процессы в
производстве полупроводниковых приборов определяют достижимые
параметры и надежность приборов. Наиболее ответственными операциями
постростовой обработки микроприборов на нитриде галлия являются:
микропрофилирование эпитаксиальной структуры, создание омических и
выпрямляющих контактов и пассивация поверхности.
Использование непроводящих подложек приводит к необходимости
введения в технологический процесс операции микропрофилирования для
формирования изоляции между элементами и областей под металлизацию
контактов (омических и выпрямляющих). При этом глубина удаляемой области
полупроводника может изменяться от единиц (вплоть до десяти) до долей
микрометров. Одновременно с этим предъявляются требования к сохранению
морфологии поверхности после процесса травления.
Не менее важным аспектом создания микроприборов является
формирование воспроизводимых и надежных систем омических и
выпрямляющих контактов.
Все вышесказанное и определяет важность и актуальность данной
диссертационной работы, посвященной комплексному исследованию
постростовых операций формирования микроприборов на основе нитридов ІІІ
группы.
4
Целью работы является разработка основных технологических операций
прецизионного микропрофилирования и формирования контактных систем для
структур на основе нитридов III группы и создание на базе разработанных
технологий диодов Шоттки и HEMT транзисторов.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Разработка технологии микропрофилирования эпитаксиальных
структур на основе нитридов ІІІ группы.
2. Выбор материалов и их композиций для формирования омических и
барьерных контактов.
3. Поиск способов улучшения характеристик омических контактов.
4. Разработка технологии изготовления и анализ характеристик и
параметров микроприборов на основе нитридов ІІІ группы − диоды Шоттки на
нитриде галлия, HEMT транзисторы на основе гетероэпитаксиальных структур
AlGaN/GaN.
Объектами исследования были эпитаксиальные структуры нитридов ІІІ
группы на сапфировых подложках и микроприборы на их основе.
Эпитаксиальные структуры, используемые в рамках данной работы,
поставлялись АО «Элма-Малахит», г. Москва, ФТИ им. Иоффе, г. СанктПетербург.
Методы исследования. При проведении процессов травления для
анализа топологии, морфологии и структурных особенностей поверхности
использовались методы оптической профилометрии, атомно-силовой и
сканирующей электронной микроскопии. Для решения поставленных задач по
анализу характеристик приборных микроструктур на пластине использовался
измерительный комплекс, который включает в себя зондовую станцию MPS-150
и измеритель характеристик полупроводниковых приборов Keithley 4200-SCS;
для анализа электрофизических параметров микроструктур на отдельных
технологических операциях использовался Холловский метод.
Научная новизна:
1. Установлены факторы (режим травления, материал защитного
покрытия), определяющие процесс микропрофилирования структур на основе
нитридов III группы с целью реализации технологии глубокого травления
нитрида галлия.
2. Обеспечена управляемость процесса селективного травления GaN
относительно Al0,25Ga0,75N с помощью выбора режима травления.
3. Выявлена возможность изготовления омических контактов на основе
систем Cr/Pt/Au без высокотемпературной обработки, которая позволяет
формировать системы барьерных и омических контактов в одном
технологическом цикле.
5
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Для обеспечения глубокого травления (10 мкм и выше) нитрида
галлия с получением вертикального профиля и сохранением морфологии
поверхности необходимо использование газовой смеси Cl2/BCl3/Ar
(20/60/10 см3/мин) с мощностью источника индуктивно-связанной плазмы
600 Вт и высокочастотной мощностью 100 Вт.
2. Введение в газовую смесь Cl2/Ar добавки кислорода с расходом
3
5 см /мин позволяет получить селективность травления GaN по отношению к
Al0,25Ga0,75N на уровне 28:1 с сохранением морфологии поверхности.
3. Для получения низкоомных омических контактов при формировании
микроприборов на основе нитридов ІІІ группы необходимо проведение
модификации поверхности полупроводника посредством создания ионнолегированных слоев, введения подслоя кремния в систему металлизации,
использования сильнолегированных защитных слоев.
Обоснованность и достоверность экспериментальных исследований
основана на использовании апробированных методик исследования, согласием
экспериментальных данных с теоретическими представлениями, широким
представлением результатов на конференциях и семинарах, публикациями в
рецензируемых журналах.
Практическая значимость заключается в следующем:
1. Разработана технология микропрофилирования, обеспечивающая
проведение процессов глубокого травления нитридов III группы.
2. Получены режимы, позволяющие проводить селективное травление
структур GaN/Al0,25Ga0,75N без повреждения барьерного слоя.
3. Разработана технология формирования омических контактов без
высокотемпературной обработки к нитридам III группы с низким значением
контактного сопротивления.
4. Разработаны и изготовлены опытные образцы диодных и
транзисторных микроприборов на основе нитридных полупроводников.
Реализация и внедрение результатов исследований:
Результаты диссертационных исследований внедрены в учебный процесс
в Новгородском государственном университете имени Ярослава Мудрого, где
используются в лекциях и при проведении практических занятий по
дисциплине «Процессы микро- и нанотехнологии», при выполнении выпускных
квалификационных работ при подготовке бакалавров и магистров по
направлению «Электроника и наноэлектроника». Результаты исследований
использованы при выполнении научно-исследовательских и опытноконструкторских работ: при поддержке Минобрнауки России в рамках
проектной части государственного задания, проект №3.3572.2017/ПЧ, 2017-
6
2018 г.г., при поддержке Минобрнауки в рамках базовой части госзадания,
проект № 1755, 2014-2016 г.г. НИОКР по заказу ОАО «ОКБ-Планета»: Анализ
микро- и наноструктур на основе полупроводниковых соединений А 3В5 (2013
г.), Анализ приборных микро- и наноструктур на основе нитрида и арсенида
галлия зондовыми методами (2015 г.), Формирование структур силовой и
оптической электроники на основе нитрида и арсенида галлия (2016 г.),
Диагностика микроструктур силовых приборов на основе нитрида галлия (2017
г.).
На конкурсе персональных грантов «Участник молодежного научноисследовательского конкурса» в 2011 году получен грант государственной
поддержки.
Апробация результатов исследования и публикации. Основные
результаты работы докладывались и обсуждались на следующих
международных, всероссийских конференциях и семинарах, а также вузовских
конференциях:
1.
7-я, 8-я, 9-я, 10-я, 11-я всероссийские конференции «Нитриды
галлия, индия, алюминия-структуры и приборы», 2011, 2013, 2015, 2017.
2.
IX, X, XII, XIII, XIV, XV научно-технические конференции
«Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА», 2010,
2011, 2013, 2014, 2015, 2017.
3.
Конкурсные работы аспирантов и молодых ученых по направлению
«Стратегическое партнерство вузов и предприятий радиоэлектронной
промышленности», 2010.
4.
IV, V Всероссийские конференции и школа молодых ученых и
специалистов
«Физические
и
физико-химические
основы
ионной
имплантации», 2012, 2014.
5.
15th Scientific Youth School «Physics and technology of micro- and
nanosystems. Silicon Carbide and Related Materials», 2012.
6.
Юбилейная научно-техническая конференция, посвященная 70летию ФГУП «НПП «Исток», 2013.
7.
5-я, 6-я, 7-я, 8-я, 9-я научно-практические конференции по физике и
технологии наногетероструктурной СВЧ-электроники «Мокеровские чтения»,
2014, 2015, 2016, 2017, 2018.
8.
VI, VIII, IХ, Х Международные научно-технические конференции
«Микро- и нанотехнологии в электронике», 2016, 2017, 2018;
9.
7-я
Международная
научная
конференция
«Химическая
термодинамика и кинетика», 2017.
Публикации. Основные теоретические и практические результаты
диссертации изложены в 24 публикациях, в числе которых 8 статей в
7
рецензируемых журналах из перечня ВАК РФ, 15 – в научных сборниках и
трудах российских и международных конференций, получен патент на
полезную модель.
Личный вклад соискателя.
При непосредственном участии автора были проведены основные
технологические операции, рассмотренные в работе. Автор лично проводил
измерения параметров опытных образцов. В работах, выполненных в
соавторстве, автор принимал активное участие в постановке задач, выборе и
обосновании методов их решения и интерпретации полученных результатов
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения,
четырех глав и заключения, изложенных на 155 страницах, а также списка
литературы. В работе имеется 90 рисунков и 12 таблиц. Список литературы
содержит 170 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и
задачи, основные научные положения, выносимые на защиту, отмечены научная
новизна и практическая значимость диссертационной работы.
В первой главе произведен обзор литературных источников, в ней
обобщены и систематизированы литературные данные, касающиеся свойств
материала, особенностей эпитаксиального выращивания, а также выбора
подложек для различных приборных применений. Обзор свойств нитрида
галлия позволяет сделать вывод о перспективах использования этого материала
как в СВЧ- и силовой электронике (СВЧ транзисторы, силовые диоды), так и в
оптоэлектронике (светодиоды синего и ультрафиолетового спектра, солнечно –
слепые фотоприемники). Ключевым вопросом при этом, до сих пор, остается
качество материала, определяемое, по сути, подложкой, на которой он
выращивается.
В главе рассмотрены вопросы формирования контактных систем к
твердым растворам AlxGa1-xN, в том числе выбор систем омических и
выпрямляющих контактов.
Рассмотрены вопросы травления эпитаксиальных структур AlxGa1-xN,
выбор методов и оценка параметров травления. Проведен обзор современного
состояния технологии микропрофилирования нитридов III группы.
Представлены методы жидкостной и «сухой» обработки указанных материалов.
Показано, что ограничение жидкостного травления для нитридов III группы
вызвало значительный интерес к развитию методов сухого травления. Указана
целесообразность травления нитридных полупроводников с использованием
8
источников на основе индуктивно-связанной плазмы в хлорсодержащей среде.
Такие источники позволяют создавать более плотную плазму с высокой
однородностью и лучшей управляемостью.
Во
второй
главе
рассмотрено
применение
технологии
микропрофилирования для формирования микроприборов на основе нитридов
III группы.
В разделе 2.1 описаны методы оценки микрорельефа и морфологии
поверхности после проведения операций микропрофилирования. В частности,
рассмотрены атомно-силовая микроскопия и оптическая профилометрия.
В разделе 2.2 представлены результаты экспериментальных исследований
процесса микропрофилирования нитрида галлия в хлорсодержащей среде.
Травление образцов осуществлялось методом реактивно-ионного травления на
установке Sentech SI-500, оснащенной источником индуктивно-связанной
плазмы.
В качестве рабочих образцов использовались эпитаксиальные структуры
нитрида галлия, выращенные методом химического осаждения из газовой фазы
с использованием металлорганических соединений (MOCVD) на сапфировой
подложке диаметром 2 дюйма.
Образцы подвергались травлению в хлорсодержащей среде на основе
смеси Cl2/BCl3/Ar. Проведена серия экспериментов по определению влияния
основных параметров плазменного процесса (мощность источника индуктивносвязанной плазмы (ICP-мощность), высокочастотная мощность, давление в
реакторе, расход газовой смеси) на скорость травления и морфологию
поверхности нитрида галлия.
Показано увеличение скорости травления при увеличении мощности ICP
источника и высокочастотной мощности; уменьшение скорости при увеличении
давления (рисунок 1). Для ICP мощности это объясняется увеличением
концентрации активных частиц, для высокочастотной мощности – увеличением
физического распыления и скорости поверхностных химических реакций.
При увеличении давления уменьшается длина свободного пробега частиц,
при этом уменьшается их энергия. Соответственно уменьшается скорость
травления материала. Сильное влияние на скорость травления оказывает
правильный выбор реактивного газа или смеси газов (рисунок 2). Скорость
плазмохимического травления материалов быстро увеличивается с ростом
скорости подачи или расхода газа. На рисунке 2 представлены зависимости
скорости травления от расхода компонентов газовой смеси. Для кривой с
расходом Cl2 наблюдается значительный рост скорости травления до значения
60 см3/мин, а далее наблюдается участок насыщения. При этом не происходит
снижение скорости травления при изменении расхода Аr и BCl 3.
9
Рисунок 1 – Обобщенные результаты
травления нитрида галлия
Рисунок 2 – Зависимость скорости
травления GaN от расхода
компонентов газовой смеси
Также представлены результаты исследования селективности травления
нитрида галлия по отношению к защитному покрытию. В качестве защитного
покрытия использовалась комбинированная маска, состоящая из никеля
толщиной 0,25 мкм с подслоем двуокиси кремния (SiO2) толщиной 0,3 мкм.
Использование подслоя SiO2 позволяет более эффективно удалять защитное
покрытие за счет растворения двуокиси кремния в буферном травителе (NH4F +
HF). Показано, что при использовании режима травления ICP мощность 600 Вт,
ВЧ-мощность 100 Вт, давление 1,2 Па, расход Cl2/BCl3/Ar 60/20/10 см3/мин
селективность травления нитрида галлия по отношению к маске составляет
~30:1. Таким образом, использование такой маски является эффективным
методом защиты при микропрофилировании нитрида галлия в указанных
режимах травления.
Анализ топологии, морфологии и структурных особенностей поверхности
после травления проводился с помощью оптического профилометра, атомносиловой и сканирующей электронной микроскопии.
В разделе 2.3 приводятся экспериментальные данные по селективности
травления GaN и Al0,25Ga0,75N в зависимости от состава газовой смеси с учетом
влияния мощности ICP источника и ВЧ-мощности.
Травление образцов проводилось в среде Cl2/Ar с различным расходом
кислорода (от 0 до 10 см3/мин) при мощности источника индуктивно-связанной
плазмы 75, 100 и 200 Вт и ВЧ-мощности 10, 30, 60 и 90 Вт. Давление в камере
составляло 1,2 Па и расход Cl2/Ar – 60/10 см3/мин. При этом при введении
кислорода происходит окисление Al в слое AlGaN с образованием стойкого к
травлению соединения Al2O3.
В результате проведенных работ показано, что селективность травления
GaN/Al0,25Ga0,75N в газовой смеси Cl2/Ar/O2 изменяется в широких пределах и, в
первую очередь, определяется добавкой кислорода в газовую смесь, как
показано на рисунках 6 и 7. При этом введение кислорода с расходом 5 см3/мин
10
позволяет получать максимум селективности. Дальнейшее увеличение расхода
кислорода приводит к снижению селективности из-за падения скорости
травления нитрида галлия.
На селективность травления также оказывает влияние мощность
источника индуктивно-связанной плазмы и ВЧ-мощность. Поскольку ВЧмощность определяет физический механизм травления, то при определенном ее
значении будет стравливаться и соединение Al2O3. Таким образом, имеет место
максимум на зависимости селективности травления от ВЧ-мощности, как
показано на рисунке 6.
Как видно из рисунка 7, на зависимости селективности травления имеется
максимум при значении ICP мощности 100 Вт. Меньшие значения мощности не
обеспечивают необходимых скоростей травления из-за достаточно низкой
плотности плазмы. При значении мощности больше 100 Вт происходит рост
скорости травления Al0,25Ga0,75N в связи с более плотной плазмой и,
соответственно, снижение селективности.
Рисунок 6 – Зависимости
селективности травления
GaN/Al0,25Ga0,75N от расхода O2 при
различной ВЧ-мощности
Рисунок 7 – Зависимости
селективности травления
GaN/Al0,25Ga0,75N от расхода O2 при
различной мощности ICP источника
В разделе 2.4 представлены результаты исследований по влиянию
обработки поверхности полупроводника перед формированием барьерной
металлизации в плазме Cl2/BCl3/Ar на параметры контакта Шоттки. Обработка
проведена при расходе Cl2/BCl3/Ar 60/20/10 см3/мин, давлении 1,2 Па и
изменении ICP мощности от 50 до 400 Вт и ВЧ-мощности от 20 до 75 Вт.
Параметры контакта Шоттки оценивалась по величине высоты барьера и
коэффициента неидеальности, определяемых из вольтамперных характеристик.
Влияние мощности источника индуктивно-связной плазмы и ВЧ-мощности на
параметры контакта Шоттки представлено на рисунках 8 и 9. Как видно из
рисунков 8 и 9, существует определенный диапазон значений мощности, при
котором коэффициент неидеальности близок к единице, что свидетельствует о
качественном контакте металл–полупроводник.
11
При дальнейшем увеличении ВЧ- и ICP мощностей происходит
ухудшение морфологии поверхности из-за увеличения плотности плазмы и
физической составляющей травления, что приводит к увеличению
коэффициента неидеальности.
Рисунок 8 – Зависимости параметров
барьера Шоттки от мощности ICP
источника
Рисунок 9 – Зависимости параметров
барьера Шоттки от ВЧ-мощности
В третьей главе рассмотрена технология формирования контактных
систем для микроприборов на основе эпитаксиальных слоев нитридных
полупроводников.
Раздел 3.1 описывает вариант контроля величины удельного контактного
сопротивления с помощью метода длинной линии. Рассмотрены границы
применимости этого метода.
В разделе 3.2 проведено исследование системы Ti/Al/Ni/Au для
эпитаксиальных пленок нитрида галлия с анализом влияния толщины
отдельных компонентов металлизации и различных режимов отжига.
В качестве тестовых образцов использовались эпитаксиальные структуры
нитрида галлия, выращенные на сапфировой подложке.
В рамках работы проведен анализ влияния композиции омического
контакта и температурно-временной обработки на контактное сопротивление и
морфологию поверхности. Выбраны оптимальное соотношение толщин Ti/Al,
толщины слоев Ti и Ni, которые обеспечивают приемлемые параметры
контакта. Показано, что при выборе режимов отжига необходимо
ориентироваться на температуры 800 и 900 °С и времена от 90 до 120 секунд.
Меньшие температуры и время не позволяют добиваться требуемых
параметров.
Раздел 3.3 посвящен методам модификации поверхности для улучшения
контактного сопротивления, а именно увеличение уровня легирования в
подконтактных областях. Для реализации такого направления была выбрана
технология ионной имплантации кремния в эпитаксиальные слои нитрида
галлия.
Использование
технологии
имплантации
совместно
с
12
высокотемпературным активационным отжигом, привело к возможности
формирования омических контактов на основе системы Cr/Pt/Au без
высокотемпературной обработки. Также рассмотрены технология вставки
подслоя кремния под систему металлизации Ti/Al/Ni/Au. Подслой кремния
позволяет снижать температуру обработки за счет подлегирования
поверхностного слоя полупроводника, улучшая контактное сопротивление и
морфологию
поверхности.
Показана
возможность
использования
сильнолегированных защитных слоев нитрида галлия в гетероструктуре
AlGaN/GaN, позволяющих улучшать характеристики контактов.
В разделе 3.4 описан подбор системы металлизации для формирования
барьерного контакта к структурам на основе нитридов III группы. Проведено
исследование влияния металлизации барьерного контакта (на основе Ti, Ni или
Cr) на электрические характеристики диодных структур. Показано, что
характеристики приборных структур с использованием барьерных контактов на
основе системы Ni/Au превосходят характеристики структур с другими
системами выпрямляющих контактов.
Четвертая глава посвящена анализу технологии изготовления,
измерению и исследованию характеристик микроприборов на основе нитридов
III группы.
В разделе 4.1 описывается измерительный комплекс, необходимый для
проведения исследования микроприборов на пластине.
Раздел 4.2 посвящён технологии изготовления и исследованию
характеристик созданных микроприборов на основе нитрида галлия.
Представлено формирование диодов Шоттки с квазивертикальной геометрией
контактов. В качестве исходного материала использовались эпитаксиальные
структуры на основе GaN слоев, показанных на рисунке 10.
На указанных структурах,
Si3N4 1,7 нм
используя разработанные в разделе
2.2 режимы глубокого травления,
n-GaN 50 нм
получены опытные образцы диодов
n--GaN 5 мкм
Шоттки. В качестве омических
+
n -GaN 1 мкм
контактов использовались системы
Si/Ti/Al/Ni/Au и Cr/Pt/Au. Барьерный
Буферный слой GaN
контакт сформирован на основе
Сапфир
системы Ni/Au. Для диодов с
Рисунок 10 – Исходная эпитаксиальная омическими
контактами
структура
Si/Ti/Al/Ni/Au проведен анализ
влияния обработки в хлорсодержащей плазме на параметры диодных структур.
13
Оценены значения прямого падения напряжения Uпр. при уровне плотности
прямого тока 100 А/см2, величина пробивного напряжения Uпроб. и
последовательного сопротивления в открытом состоянии Ron. Показано, что
наилучшие результаты по величине пробивного напряжения получены при
мощности индуктивно-связанной плазмы 100 Вт (таблица 1).
В
разделе
4.3
Таблица 1 – Влияние обработки в плазме рассмотрены технологические
Cl2/BCl3/Ar на параметры диодов Шоттки
операции по формированию и
ICP
Uпр, В
Uпроб,
Ron,
исследованию
характеристик
мощность, Jпр=100А/см2
В
мОм·см2
транзисторов.
В
качестве
Вт
исходного
материала
Si/Ti/Al/Ni/Au
использовались структуры на
Без
4,25
125
24
основе
гетероперехода
травления
400
1,35
92
9,8
Al0,25Ga0,75N/GaN, показанные
300
1,15
80
8,1
на рисунке 11.
200
1,18
95
8,3
В работе исследовалось
100
1,55
187
8,7
влияние омических контактов
50
2,95
92
14
на выходные характеристики
Cr/Pt/Au
микроприборов. Рассмотрена
Без
2,5
184
10,6
возможность
использования
травления
ионной имплантации (ИИ) для
формирования сильнолегированных подконтактных областей (рисунок 11, а), а
также применение защитных сильнолегированных слоев (рисунок 11, б).
а)
б)
Рисунок 11 – Исходные гетероэпитаксиальные структуры для формирования
транзистора: а) без защитных слоев; б) с защитными n+-слоями
14
При использовании ионной имплантации необходимо сформировать
локальные области сильнолегированного материала. При этом необходимо,
чтобы максимум распределения примеси приходился на уровень двумерного
электронного газа, формируемого на границе раздела AlGaN и GaN, т.е. на
глубину порядка 25 нм. Для этого предлагается использовать диэлектрические
пленки диоксида кремния разной толщины (50нм, 100нм), служащие маской
при проведении процесса легирования. Оценка удельного контактного
сопротивления показало, что наименьшее сопротивление получено для
структуры с ионной имплантацией через маску SiO2 толщиной 50 нм.
В качестве легированных защитных слоев использовались слои n+-GaN
толщиной 20 и 40 нм. Результаты измерений показывают, что при
использовании n+-слоя толщиной 20 нм получается более низкое значение
удельного контактного сопротивления омических контактов по сравнению со
структурой с n+-слоем толщиной 40 нм. При использовании таких структур
необходимо проведение операции травления n+-слоя для формирования
барьерной металлизации.
Затворы транзисторов длиной 1 мкм и шириной 100 мкм формировались
на основе системы металлизации Ni/Au.
В результате проведенных работ были получены работоспособные
опытные образцы транзисторных структур, на которых были исследованы
выходные характеристики (рисунок 12) и оценены основные параметры
транзистора (таблица 2).
Таблица 2 – Основные характеристики полученных транзисторов
Омический контакт
Ti/Al/Ni/Au
Si/Ti/Al/Ni/Au
Ti/Al/Ni/Au (ИИ через SiO2 50 нм)
Ti/Al/Ni/Au (n+ - слой GaN 20 нм)
Iс нас,
мА/мм
280
470
350
430
S,
мСм/мм
UСИ=4В
120 (UЗИ=-1,2В)
134 (UЗИ=-1,2В)
145 (UЗИ=-1,2В)
110 (UЗИ=-2,2В)
UЗИотс, В
-2,8
-2,8
-2,6
-3,8
Таким образом, в рамках работы получены приборные структуры
различного типа как с использованием эпитаксиальных слоев нитрида галлия,
так и на основе гетеропереходов AlGaN/GaN. Показано, что разработанные
технологические процессы позволяют создавать работоспособные приборные
структуры.
В заключении диссертационной работы подводятся общие итоги
проведенных исследований. Дается оценка полученным результатам, и
15
делаются выводы о
поставленных задач.
а)
достижении
целей
исследования
и
выполнении
б)
в)
г)
Рисунок 12 – Выходные вольтамперные характеристики транзисторных
структур с разными технологиями формирования омических контактов: а –
омические контакты на основе Si/Ti/Al/Ni/Au; б – омические контакты на
основе Ti/Al/Ni/Au; в – омические контакты на основе Ti/Al/Ni/Au с
использованием ионной имплантации через маску SiO2; г – омические
контакты на основе Ti/Al/Ni/Au с использованием n+ cap-слоев GaN
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
1. Разработаны режимы травления и материал защитного покрытия для
осуществления глубокого травления нитрида галлия с сохранением морфологии
поверхности.
2. Разработаны режимы селективного травления нитрида галлия
относительно Al0,25Ga0,75N в смеси Cl2/Ar/O2, позволяющие прецизионно
удалять слои гетероструктуры без повреждения барьерного слоя.
3. Установлены режимы обработки в плазме на основе Cl2/BCl3/Ar перед
формированием
выпрямляющих
контактов,
позволяющие
улучшить
характеристики микроприборов.
4. Определены композиции систем омических и выпрямляющих
контактов приборных структур на основе нитридов III группы.
16
5. Разработана технология формирования омических контактов без
высокотемпературной обработки к нитридам III группы с низким значением
контактного сопротивления (на уровне 10-6 Ом∙см2).
6. Осуществлено
внедрение
разработанных
операций
микропрофилирования и создания контактных систем в технологический
маршрут изготовления диодов Шоттки и HEMT транзисторов на основе
нитридов III группы.
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Публикации в изданиях, включенных в перечень ВАК:
1. Козловский Э.Ю., Спивак Ю.М., Мошников В.А., Пономарева А.А.,
Селезнев Б.И., Иванов Н.Н., Желаннов А.В. Транзисторные структуры типа
pHEMT: исследование особенностей полупроводниковой гетероструктуры
методами атомно-силовой микроскопии // Научно-технические ведомости
Санкт-Петербургского государственного политехнического университета.
Физико-математические науки. 2010. Вып.1(94). С. 18–29.
2. Желаннов А.В., Удальцов В.Е., Падорин А.В. Исследование омических
контактов Ti/Al/Ni/Au и Ni/Au к эпитаксиальным слоям нитрида галлия //
Вестник Новгородского государственного университета. 2010. вып.60. С. 65–69.
3. Удальцов В.Е., Желаннов А.В., Титова А.А., Панов Н.А.
Ультрафиолетовый
излучающий
диод
//
Вестник
Новгородского
государственного университета. 2011. вып.65. С. 38–40.
4. Желаннов А.В., Удальцов В.Е., Федоров Д.Г. Исследование силовых
диодов Шоттки на основе нитрида галлия // Вестник Новгородского
государственного университета. 2012, вып.68. С. 92–94.
5. Желаннов А.В., Падорин А.В., Удальцов В.Е. Разработка технологии
реактивно-ионного травления слоев нитрида галлия в хлорсодержащей среде //
Электронная техника. Серия 1 СВЧ-Техника. Труды юбилейной конференции,
посвященной 70-летию ФГУП «НПП «Исток» ч.2. 2013. вып. 4(519). С. 139–
143.
6. Гудков Г.В., Желаннов А.В., Ионов А.С., Петров А.В., Федоров Д.Г.
Измерительный комплекс характеристик микроструктур на пластине //
Новгородского государственного университета. 2016. вып.98. С. 12–16.
7. Желаннов А.В., Селезнев Б.И., Федоров Д.Г. Технологические
особенности формирования структур диодов Шоттки на нитриде галлия.//
Вестник Новгородского государственного университета. 2017. вып.104. С. 24–
27.
17
8. Желаннов А.В., Ионов А.С., Петров А.В., Селезнев Б.И,
Использование технологии микропрофилирования при формировании
приборных структур на основе нитрида галлия // Нано- и микросистемная
техника. 2017 вып.7. С. 399–405.
В трудах всероссийских и международных конференций:
9. Желаннов А.В. Структура и свойства омических контактов Ti/Al/Ni/Au
и Ni/Au к эпитаксиальным слоям нитрида галлия // Сборник конкурсных
научно-исследовательских работ аспирантов и молодых ученых в области
стратегического партнерства ВУЗов и предприятий радиоэлектронной
промышленности. Санкт-Петербург. 2010 г. С. 83–87.
10. Желаннов А.В., Удальцов В.Е. Исследование омических контактов к
эпитаксиальным слоям нитрида галлия // Материалы IX научно-технической
конференции «Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки
РЭА». Звенигород. 2010 г. С. 211–213.
11. Желаннов А.В. Исследование диодов Шоттки на основе
эпитаксиальных слоёв нитрида галлия n-типа // Доклад 8-й всероссийской
конференции «Нитриды галлия, индия, алюминия-структуры и приборы»,
Санкт-Петербург. 2011 г. С. 137–138.
12. Желаннов А.В., Удальцов В.Е., Федоров Д.Г. Применение ионной
имплантации при формировании омических контактов к диодным структурам
на основе нитрида галлия // Доклад IV Всероссийской конференции
«Физические и физико-химические основы ионной имплантации».
Новосибирск. 2012 г. С. 29–30.
13. Zhelannov A.V., Oudaltsov V.E. GaN-based Schottky diodes.// 15th
Scientific Youth School «Physics and technology of micro- and nanosystems. Silicon
Carbide and Related Materials». Saint-Petersburg. 2012 г. С. 59.
14. Желаннов А.В., Падорин А.В., Удальцов В.Е. Разработка технологии
реактивно-ионного травления слоев нитрида галлия в хлорсодержащей среде //
Доклад юбилейной научно-технической конференции, посвященной 70-летию
ФГУП «НПП «Исток». Фрязино. 2013 г. С. 139–143.
15. Федоров Д.Г., Желаннов А.В., Селезнев Б.И. Диоды Шоттки на
структурах GaN c ионно-легированными слоями // Сборник трудов 6-й научнопрактической конференции по физике и технологии наногетероструктурной
СВЧ-электроники «Мокеровские чтения». Москва. 2015 г. С. 44–45.
16. Желаннов А.В., Федоров Д.Г., Греба В.М., Селезнев Б.И. Невжигаемые
омические контакты Cr/Pt/Au к слоям GaN // Материалы XIV научнотехнической
конференции
«Твердотельная
электроника,
сложные
функциональные блоки РЭА». Москва. 2015 г. С. 55–57.
18
17. Желаннов А.В., Федоров Д.Г., Селезнев Б.И. Разработка технологии
травления нитрида галлия в хлорсодержащей среде // Сборник трудов 7-й
научно-практической
конференции
по
физике
и
технологии
наногетероструктурной СВЧ-электроники «Мокеровские чтения». Москва. 2016
г. С. 57–58.
18. Желаннов А.В., Федоров Д.Г. Использование технологии
микропрофилирования при формировании приборных структур на основе
нитрида галлия // Доклад 11-й всероссийской конференции «Нитриды галлия,
индия, алюминия-структуры и приборы». Москва. 2017 г. С. 144–145.
19. Желаннов А.В., Ионов А.С., Петров А.В., Селезнев Б.И. Влияние
травления на характеристики структур диодов Шоттки на нитриде галлия //
Сборник трудов 8-й научно-практической конференции по физике и технологии
наногетероструктурной СВЧ-электроники «Мокеровские чтения». Москва.
2017. С. 57–58.
20. Желаннов А.В., Селезнев Б.И. Исследование характеристик барьера
Шоттки на нитриде галлия в процессе обработки в хлорной плазме //
Материалы IХ Международной научно-технической конференции «Микро- и
нанотехнологии в электронике». Нальчик. 2017 г. С. 407–410.
21. Желаннов А.В., Селезнев Б.И. Плазмохимическое травление нитрида
галлия в хлорсодержащей среде // Сборник докладов 7 Международной
научной конференции «Химическая термодинамика и кинетика». Великий
Новгород. 2017 г. С. 99–100.
22. Желаннов А.В., Оказов А.К., Селезнев Б.И. Селективное травление
GaN/AlGaN в хлорсодержащей среде Cl2/Ar/O2 // Материалы XV научнотехнической
конференции
«Твердотельная
электроника,
сложные
функциональные блоки РЭА». Москва-Дубна. 2017 г. С. 125–127.
23. Желаннов А.В., Селезнев Б.И. Применение проводящего cap-слоя GaN
при формировании транзисторных структур на нитриде галлия // Сборник
трудов 9-й научно-практической конференции по физике и технологии
наногетероструктурной СВЧ-электроники «Мокеровские чтения». Москва. 2018
г. С. 46–48
Патент на полезную модель
24. Удальцов В.Е., Титова А.А., Желаннов А.В., Фомин О.Г.
Ультрафиолетовый излучающий диод // Патент на полезную модель № 142036,
зарегистрировано в Гос. реестре полезных моделей РФ от 15.05.14.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа